Концепции современного естествознания

Сильное взаимодействие в 100-1000 раз сильнее электромагнитного. Это необходимо для того, чтобы могли существовать ядра атомов, поскольку в противном случае электромагнитное взаимодействие будет препятствовать их образованию (напомним, что при электромагнитном взаимодействии одинаково заряженные частицы отталкиваются и если бы электромагнитное взаимодействие было сильнее сильного взаимодействия, то положительно заряженные протоны не могли бы соединяться между собой и образовывать ядра атомов). Посредством сильного взаимодействия создаются ядра атомов, а также частицы, из которых состоят ядра атомов — протоны и нейтроны. Ядерные силы действуют в одном направлении как притяжение и не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

Слабое взаимодействие слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Оно также действует только на очень малых расстояниях в пределах атомного ядра. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия (10^-15 см). За счет слабого взаимодействия происходят превращения атомных ядер (в том числе радиоактивный распад), а так как именно такие процессы протекают в недрах звезд, то можно сказать, что за счет слабого взаимодействия светит Солнце (при превращении атома водорода в атом гелия протон распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью — оно проходит через железную плиту толщиной в миллиард километров. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.

Все четыре типа взаимодействий осуществляются за счет особых частиц — переносчиков взаимодействия, называемых бозонами. Фотон переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон — гравитационные, глюоны — сильные взаимодействия, промежуточные векторные (калибровочные) бозоны — слабые взаимодействия. Характер физических взаимодействий определяется свойствами частиц — переносчиков взаимодействия. Бозоны окружают частицы вещества (фермионы) и взаимодействие последних является результатом взаимного «обстрела» друг друга бозонами. «Если использовать грубую аналогию, это похоже на изменение траектории двух конькобежцев, обстреливающих друг друга градом шаров для боулинга»[70]. Частицы вещества в результате взаимного обстрела могут не только отталкиваться, но и притягиваться друг к другу. Поэтому бозоны как бы передают послания о том, как следует реагировать фермионам. Так, при электромагнитном взаимодействии «частицам, несущим одинаковый заряд, фотон передает сообщение „отдаляйтесь“, а частица с разноименным зарядам — „сближайтесь“ Аналогичным образом глюоны и слабые калибровочные бозоны являются частицами — посланниками сильного и слабого взаимодействия»[71].

Во второй половине XX в. основные усилия физиков-теоретиков сосредоточились на том, чтобы построить теории, объединяющие основные физические взаимодействия. В физике элементарных частиц были созданы так называемая электрослабая теория, объединившая электромагнитные и слабые взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий), а затем электрослабая теория и квантовая хромодинамика были соединены в теорию великого объединения (так назвали объединение трех негравитационных взаимодействий). Последняя получила также название стандартной модели физики элементарных частиц.

Данные теории позволили сформировать представление об этапах Большого взрыва, каждый из которых начинается при достижении определенной температуры. Дело в том, что при температуре более 10¹⁵ градусов электромагнитные и слабые силы становятся идентичными по своим свойствам и объединяются в электрослабые силы, описанные электрослабой теорией. Сильные и электрослабые силы объединяются при температуре 10²⁷. Это описывает теория великого объединения. Обе теории, как и квантовая теория сильных взаимодействий, выдержали экспериментальную проверку.

Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию всех четырех физических взаимодействий. На эту роль претендует так называемая теория струн. Ее называют теорией «всего сущего», или «окончательной» теорией. Данные выражения являются метафорическими и смысл их в том, что с помощью теории струн пытаются познать самый глубинный уровень физической реальности, основываясь на котором можно объяснить и все остальные.